DE1043666B

DE1043666B - Trennungsverfahren und -vorrichtung fuer Ionen verschiedener Massen sowie Massenspektrometer, die hiervon eine Anwendung darstellen

Info

Publication number: DE1043666B
Application number: DEB22036A
Authority: DE
Inventors: William Charles Wiley
Original assignee: Bendix Aviation Corp
Current assignee: Bendix Aviation Corp
Priority date: 1951-10-02
Filing date: 1952-09-13
Publication date: 1958-11-13
Also published as: FR1062857A; US2685035A; GB727683A

Description

DEUTSCHES

Die bekannten Massenspektrometer beruhen auf der Messung der Zeitspannen, welche von Ionen, die aus den Atomen bzw. Molekülen eines zu analysierenden Stoffes oder Stoffgemisches gebildet sind, zum Durchlaufen genau festgelegter Entfernungen benötigt werden. In diesen Apparaten erreichen die der Beschleutiigungswirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzten Ionen eine Sammelelektrode nach einer Dauer, die um so langer, je größer ihre Masse (und folglich diejenige der neutralen Partikeln, aus denen diese Ionen erzeugt sind) selbst ist, so daß also die Bestimmung der Molekularmasse des Stoffes und gegebenenfalls die Analyse des unbekannten Gemisches auf beispielsweise mittels eines Oszilloskopen durchgeführte Zeitmessungen zurückzuführen sind.

Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden — und diesbezüglich sei auf die im Namen der antragstellenden Gesellschaft am 9. April 1952 eingereichte französische Patentanmeldung 626 757 verwiesen — die Ionen in Form von stoßweisen »Paketen« bzw. Pulsen dadurch zu erzeugen, daß die in eine genau begrenzte Zone eingeführten, zu analysierenden Moleküle von einem in periodischen Stoßen wirkenden Elektronenstrahl bombardiert werden, und daraufhin aus besagter Zone mittels eines beschleunigenden Feldes die so erzeugten und dort vorzugsweise bis zur fast gänzlichen Sättigung der Moleküle angehäuften Ionen ebenfalls periodisch herauszuschleudern.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht feinere und genauere Messungen als die bekannten Massenspektrometer; gewisse Fehlerquellen bestehen aber darin noch weiter, deren Vermeidung eben die Aufgabe vorliegender Erfindung ist.

Diese Fehlerquellen bestehen im wesentlichen in den statistischen Schwankungen, die sich innerhalb der Anfangsstellungen und -geschwindigkeiten feststellen lassen, welche die Ionen gleicher Masse aufweisen können im Augenblick, wo sie vom Beschleunigungsimpuls erfaßt und aus ihrer Erzeugungs- und Anhäufungszone gerissen und dann gegen die Sammelelektrode geschleudert werden.

Die Schwankungen in der Anfangsstellung· werden davon hervorgerufen, daß die in der von den Ionen zur Sammelelektrode hin durchlaufenen Richtung gemessene und vom Querschnitt des Bombardierungselektronenstrahls abhängige Tiefe der Erzeugungsund. Anhäufungszone der Ionen zwar klein, aber doch nicht unbeträchtlich ist, so daß im Augenblick der Einwirkung des Beschleunigungsfeldes auf das Ionenpaket manche Ionen sich näher zur Sammelelektrode befinden als andere Ionen gleicher Masse und daher diese Elektrode vor diesen letzteren erreichen, was dann eben gerade die Zeitmessungen fälscht.

Die Schwankungen in den Anfangsgeschwindig-Trennungsverfahren und -vorrichtung
für Ionen verschiedener Massen

sowie Massenspektrometer,
die hiervon eine Anwendung darstellen

Anmelder:

Bendix Aviation Corporation,
New York, N. Y, (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 2. Oktober 1951

William Charles Wiley, Detroit, Mich. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

keiten stehen ihrerseits mit der kinetischen Energie thermischen Ursprungs in Verbindung, die den Molekülen innewohnt. Infolge der ungeordneten Bewegungen, welche die Ionen ausführen, können nun manche von ihnen im Augenblick der Auslösung des Beschleunigungsimpulses gerade im Begriff sein, sich zur Sammelelektrode hin zu bewegen, während andere, obwohl gleicher Masse, sich von ihr entfernen; die ersteren werden also die Sammelelektrode vor den letzteren erreichen, was dann wieder zu ungenauen Messungen führt.

Die beiden statistischen Faktoren, von denen eben die Rede war, beeinträchtigen also die Genauigkeit der Messungen, indem sie zur unscharfen Trennung von Ionen verschiedener Masse führen.

Auf Grund von Forschungsarbeiten wurde festgestellt, daß man in der vorerwähnten Vorrichtung, die zwischen der Quelle und der Sammelelektrode nur ein Beschleunigungsgitter bzw. nur eine einzige Ionenausschleuderungsstelle aufweist, den Einfluß obenerwähnter Fehlerquellen vermindern bzw. abschaffen kann, indem man die Sammelelektrode in einer ganz bestimmten Entfernung vom Beschleunigungsgitter anbringt, die etwa das Doppelte des Abstandes zwisehen diesem Gitter und dem Bombardierungselektronenstrahl darstellt. Da jedoch dieser Abstand sehr gering ist, wird die Laufbahn der Ionen ebenfalls sehr kurz, was natürlich der Genauigkeit der Messungen schadet.

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Durch dlie vorliegende Erfindung werden jedoch besagte statistische Fehlerquellen abgeschafft, wobei trotzdem eine beliebig lange Laufbahn beibehalten werden kann.

Dieses Ergebnis wird gemäß der Erfindung durch die Anordnung einer Reihe von zwischen einer Ionenquelle und einer Sammelelektrode aufeinanderfolgenden Bereichen, in welchen entsprechende Beschleunigungsfelder herrschen, und durch eine passende Einstellung der Länge der Bereiche zueinander und der Stärke der Felder erreicht, unter deren Einfluß diese Bereiche stehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise drei Bereiche durchlaufen werden, und zwar ein erster Bereich für eine gemäßigte Beschleunigung, ein zweiter Bereich für eine starke Beschleunigung und ein dritter Bereich für keine oder niedrige Beschleunigung, und daß die in Wechselwirkung zueinander stehende Feldstärke und Länge der drei Bereiche so gewählt werden, daß der Fehler, der sich aus der statistischen Unbestimmtheit der Anfangsbedingungen bei der Ionenquelle ergibt, auf ein Mindestmaß verringert wird.

Die Theorie zeigt, daß, wenn eine Anordnung mit wenigstens zwei verschiedenen Beschleunigungsbereichen vorgesehen wird, immer durch bestimmte Auswahl der zueinander in Wechselwirkung stehenden Parameter ein befriedigender Zustand herbeigeführt werden kann, in welchem der statistische Fehler auf ein Minimum vermindert und nach oben begrenzt ist, wobei jedoch in freier Wahl über die Abmesssung der Gesamtausdehnung verfügt werden kann, was gestattet, dieser Abmessung sine genügende Länge zu geben, um die gewünschte Empfindlichkeit zu erreichen.

Die Berechnung zeigt die Bedingung, die die Beziehung zwischen den räumlichen und elektrischen Parametern (den Längen der Bereiche und den längs dieser angelegten Feldern) zur Verminderung des Fehlers der Anfangstellung auf ein Minimum angibt, wobei für den allgemeinen Fall mit aufeinanderfolgenden Bereichen von der Länge L₁ ... L₁ ... L_n, an welchen die Felder herrschen, die durch die Unterschiede der Spannungen V₁ ... V₁ ... V_n erzeugt werden, geschrieben werden kann:

Darauf folgt

f-1 +

opt

wobei S₁ = 1 und

:=1 /1

^¹ Vk

für i ^. 2 ist.

Diese Formel setzt eine mittlere Anfangsstellung voraus, in welcher sich die Partikeln in der Mitte des ersten Bereiches der Länge L₁ befinden.

Wenn nun die Verhältnisse mit drei Bereichen betrachtet werden, von denen zwei Bereiche die gleiche Länge Z haben, wo die Spannungsgefälle V₁ und V₂ angelegt sind, kommt ein dritter Bereich der Länge L, wo ein Spannungsfall Null herrscht, hinzu. Die Ionenquelle befindet sich ungefähr in der Mitte des ersten Bereiches. Die Gleichung (1) ergibt:

Es ist zu ersehen, daß bei der Wahl eines ziemlich großen Verhältnisses -ψ- ein optimales Verhältnis erhalten werden kann für eine gegebene

\ I lopt

a^s

Länge / der beiden ersten Bereiche, wobei der Bereich mit der Beschleunigung Null eine Länge L haben wird, so groß man will, die erlaubt, eine Gesamtlänge der durchzulaufenden Strecke vorzusehen, die mit einer ausgezeichneten Empfindlichkeit vereinbar ist. Praktisch werden die Faktoren so gewählt, daß das optimale Verhältnis i-A vorzugsweise in der

Größenordnung wenigstens gleich 10 ist. In dem im folgenden angegebenen Zahlenbeispiel ergibt die Anwendung der obigen Formel (-=-) = 14,6. Es wird

darauf hingewiesen, daß diese Werte nur zur Darstellung dienen.

Gegenstand der Erfindung ist aber andererseits auch das ein Massenspektrometer darstellende neue Ιη-dustrieerzeugnis, das auf der Messung der Zeitspannen beruht, welche die Ionen benötigen, um den Abstand zwischen einer Ausgangszone bzw. -quelle und eimer Sammelvorrichtung zu durchlaufen, wobei dieses Massenspektrometer im wesentlichen durch zwei aufeinanderfolgende, zwischen besagter Zone und der Sammelvorrichtung befindliche Gebiete gekennzeichnet ist, innerhalb welcher den Ionen aufeinanderfolgende Beschleunigungen mitgeteilt werden, und zwar gemäß dem in den vorausgehenden Absätzen bestimmten Verfahren.

In der Zeichnung wird schematisch eine übrigens keinerlei einschränkenden Charakter tragende Ausführungsweise der Erfindung dargestellt, wobei die mechanischen Elemente in Perspektive gezeigt sind.

Der Apparat besteht aus einer Kathode 10, die aus einem V-förmigen Plättchen aus Wolfram oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigt ist. Voider Kathode sind drei aufeinanderfolgende Gitter, nämlich das Steuergitter 12, das Beschleunigungsgitter 16 und das Schirmgitter 20, angeordnet, die aus drei parallelen Platten bestehen, welche Fenster bzw. senkrechte Schlitze 14,18,22 aufweisen, deren Mittelpunkte auf derselben, auch durch die Kathodenspitze 10 gehenden, horizontalen Achse liegen. Ziemlich weit vom Schirmgitter entfernt befindet sich eine Sammelanode 24, die ebenfalls auf vorgenannter Achse gefluchtet ist.

Eine Seiten- bzw. Rückplatte 26 erstreckt sich in Längsrichtung zwischen dem Gitter 20 und der Sammelanode 24, und zwar etwas zurückliegend in bezug auf das Fenster 22 des Gitters 20. Parallel und nahe zur Platte 26 befindet sich ein mit einem waagerechten Schlitz 30 versehenes Steuergitter 28. Die verbreiterte Mündung 32 einer Leitung 34 ist an einem Schlitz 36 angeschlossen, der sich in einer zwischen Rückplatte 26 und Gitter 28 eingeschobenen waagerechten Platte 38 befindet. Die Leitung 34 kommt von einem Behälter 4O₃ der die Moleküle eines zu analysierenden, unbekannten Gasgemisches aufnehmen kann.

Vor dem Gitter 28 und parallel hierzu befindet sich ein Beschleunigungsgitter 42, das mit einem dem Schlitz 30 gegenüberliegenden, waagerechten Schlitz 44

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versehen ist. Die respektiven Schlitze 30, 44 der beiden Gitter 28,42 bestimmen eine waagerechte Achse, die zu der obenerwähnten, von den Schlitzen 14,18, 22 definierten Achse senkrecht steht. Auf dieser zweiten Achse ist eine zweite Sammelanode 46 gefluchtet, die in genügendem Abstand vom Gitter 42 angebracht ist.

Ein Zeitanzeiger, z. B. ein Oszilloskop 48, ist mit der zweiten Sammelanode 46 derart verbunden, daß er die relativen Zeitpunkte angibt, zu denen die Ionen verschiedener Masse diese Sammelanode erreichen.

Bei gleichmäßigem Betrieb werden Steuer- sowie Beschleunigungsgitter 12 bzw. 16 unter von einer entsprechenden Stromquelle 54 stammende positive Spannungen gesetzt. Auf die Sammelanoden 24 und 46 werden über die Widerstände 56 und 58 ebenfalls von der Stromquelle 54 stammende leicht positive Spannungen übertragen. Kathode 10, Beschleunigungsgitter 20, Rückplatte 26, Steuergitter 28 und Beschleunigungsgitter 42 befinden sich ihrerseits annähernd auf Erdpotential. Die Gitter 20 und 42 können beispielsweise direkt geerdet werden, während Kathode 10, Platte 26 und Gitter 28 jeweils über die Widerstände 60, 62 und 64 geerdet sind.

Zu bestimmten Momenten erhalten Kathode 10 und Steuergitter 12 aus einer Impulserzeugungsschaltung 70 über Kupplungskapazitäten 66 bzw. 68 negative Spannungsimpulse gleicher Stärke und verhältnismäßig kurzer Dauer. Zu denselben oder kaum späteren Augenblicken erhalten die Rückplatte 26 und das zweite Steuergitter 28 von anderen Stromklemmen der Schaltung 70 und über die Kapazitäten 72 bzw. 74 positive Impulse. Aus weiter unten zutage tretenden Gründen ist der der Rückplatte 26 mitgeteilte positive Impuls von etwas höherem Wert als der, den das Steuergitter 28 erhält. Die Vorrichtungen, mittels deren zwei durch eine verhältnismäßig kurze und bestimmbare Zeitspanne getrennte Impulse erzeugt werden können, sind allgemein bekannt. Man kann in diesem Zusammenhang beispielsweise den von der Berkeley Scientific Company in Richmond, Kalifornien, gebauten Doppelimpulsgenerator Modell 902 erwähnen. Übrigens ist der Aufbau einer solchen Vorrichtung auf S. 223 bis 238, Bd. 20 (»Electronic Timo Measurements«) der vom Massachusetts Institute of Technology herausgegebenen Radiation Laboratory Series beschrieben.

Auf Grund der positiven Spannung, die bei normalem Betrieb auf dem Steuergitter 12 gegenüber der Kathode 10 herrscht, werden die von der Kathode ausgestrahlten Elektronen von dem Steuergitter angezogen. Die einzige Beschleunigung, der diese Elektronen ausgesetzt sind, ist diejenige, die ihnen zwischen Kathode und Steuergitter mitgeteilt wird, da das Beschleunigungsgitter 16 etwa dasselbe positive Potential aufweist wie das Steuergitter, während das Schirmgitter 20 geerdet ist. Die Elektronen, die aus dem Gitter 20 austreten, besitzen daher nur eine geringe Geschwindigkeit, und ihre kinetische Energie ist ungenügend, um die in das zwischen Rückplatte 26 und Steuergitter 28 gelegene Gebiet eingeführten Gasmoleküle zu ionisiereni.

Im Augenblick, wo Kathode 10 und Steuergitter 12 den gleichen negativen Impulsen ausgesetzt sind, werden die Elektronen noch immer von ersterer zur letzteren angezogen. Die Elektronen erhalten nun bei ihrem Durchgang durch das Steuergitter eine beträchtliche Beschleunigung auf Grund der positiven Spannung, die während der Dauer des auf das Steuer- „gitter übertragenen negativen Impulses auf dem Beschleunigungsgitter 16 gegenüber dem Steuergitter herrscht.

Die Beschleunigung, die den Elektronen nun durch Steuer- und Beschleunigungsgitter mitgeteilt wird, ist so stark, daß sie das Schirmgitter 20 mit hoher Geschwindigkeit durchqueren und auf die im Gebiet zwischen Rückplatte 26 und Steuergitter 28 befindlichen Gasmoleküle mit genügender Stoßkraft aufprallen, um eine gewisse Anzahl dieser Moleküle zu ionisieren. Es sei hierbei daran erinnert, daß die Gasmoleküle vom Behälter 40 aus, der das zu analysierende Gasgemisch enthält, in besagtes Gebiet eingeführt werden.

Die durch den Zusammenstoß zwischen den Gasmolekülen und den Elektronen erzeugten Ionen werden in dem vom Elektronenstrom zwischen Kathode 10 und Sammelanode 24 geschaffenen negativen Feld zurückgehalten. Dieser Elektronenstrom bildet einen verhältnismäßig dünnen und zur Rückplatte 26 senkrecht stehenden Streifen auf Grund der als Kollimator wirkenden Schlitze 14,18 und 22, deren diesbezüglicher Einfluß durch ein (nicht dargestelltes) zwischen Gitter 20 und Sammelanode 24 auf die Elektronen einwirkendes magnetisches Feld eventuell noch verstärkt werden kann. Das vom Elektronenstrahl erzeugte negative Feld oder, wie man es auch nennt, »Potentialwall« hält nicht nur die Ionen in einem verhältnismäßig engen Raum zurück, sondern vermehrt auch infolge der von ihm hervorgebrachten und derjenigen der Ionen entgegengesetzten Ladung beträchtlich die Anzahl der festgehaltenen Ionen. Diese Vermehrung der in einem engen Raum festgehaltenen und angehäuften Ionen erlaubt feinstufigere und genauere Messungen als diejenigen, die bisher mit den bekannten Massenspektrometern durchführbar waren. Diese Erzeugungsweise eines negativen Feldes mittels eines Elektronenstroms sowie die Anwendungsmöglichkeit eines solchen Feldes bildeten insbesondere den Gegenstand der französischen Patentanmeldung 626 757, die im Namen der antragstellenden Gesellschaft am 9. April 1952 eingereicht wurde.

Die Erzeugung einer zur Sättigung des vom Elektronenstrahl hervorgebrachten negativen Feldes genügenden IonenzaM geht fast augenblicklich vor sich. Diese Ionen werden in der Nähe des Schlitzes 30 infolge der abstoßenden Wirkung, die von den auf dem Gitter 16 und der Sammelanode 24 herrschenden positiven Spannungen auf sie ausgeübt wird, im Elektronenstrom festgehalten. Sobald die Rückplatte 26 und das Gitter 28 den. Spannungsimpulsen ausgesetzt sind, werden die Ionen von der Rückplatte und den Gittern 28 und 42 zur Sammelanode 46 hin beschleunigt. Die leichteren Ionen werden dabei stärker beschleunigt als die schwereren und werden daher vor diesen auf der Anode 46 aufgefangen. Durch Messung der von den verschiedenen Ionen benötigten Zeitspannen, um die Sammelanode 46 zu erreichen, kann man dann deren diverse Massen bestimmen.

Der Querschnitt des die Schlitze 14,18 und 22 durchquerenden Elektronenstrahls ist zwar gering, aber nicht unbeträchtlich. Es folgt daraus, daß alle Ionen, die eine gleiche, bestimmte Masse besitzen, vom Steuergitter 28 nicht in gleicher Weise entfernt sind. Andererseits führen die Ionen auf Grund der ihnen innewohnenden Wärmeenergie ungeordnete Bewegungen aus, durch die zu einem gegebenen Augenblick manche von ihnen sich dem Gitter 28 nähern, während andere sich davon entfernen. Auf Grund dieser sowohl die Stellung als auch die Geschwindigkeiten der Ionen gleicher Masse betreffenden statistischen Schwankungen ergibt sich, daß alle Ionen, die

eine gleiche, bestimmte Masse besitzen, die Sammelanode 46 nicht im selben Augenblick erreichen, woraus Ungenauigkeiten der Messungen entstehen.

Es ist festgestellt worden, daß bei einer nur ein einziges Ionenbeschleunigungsgitter benutzenden Vorrichtung die sich aus den Stellungs- und Geschwindigkeitsschwankungen der Ionen ergebenden Ungenauigkeiten durch Einsetzen der Sammelanode in einem ganz bestimmten Abstand vom Gitter beträchtlich verringert werden können; dieser Abstand ist etwa doppelt so groß wie derjenige, der das Gitter von dem die Ionen erzeugenden Elektronenstrahl trennt. Da nun der Abstand zwischen Gitter und Elektronenstrahl sehr klein ist, ist derjenige zwischen Gitter und Sammelanode ebenfalls gering. Praktisch ist dieser Abstand sogar derart klein, daß es unmöglich wird, eine genaue Trennung sowohl räumlicher als auch zeitlicher Art zwischen Ionen verschiedener Masse zu gewährleisten.

Wenn man nun aber gemäß der Erfindung an Stelle des bei den auf Messung der Durchlaufszeiten beruhenden Massenspektrometern gewöhnlich alleinig benutzten Gitters die beiden Gitter 28 und 42 in Anwendung bringt und zwischen diesen Gittern und der Sammelanode entsprechende relative Spannungen erzeugt, so erhält man ein Massenspektrometer, das bedeutend verbesserte Messungscharakteristiken aufweist.

jSTach der Erfindung greifen gleichzeitig an der Rückplatte 26 und am Gitter 28 Spannungsimpulse an, und zwar derart, daß die Rückplatte 26 in bezug auf das Gitter unter ein mäßiges positives Potential gesetzt wird; so kann man beispielsweise die Rückplatte 26 auf 200 V und das Gitter 28 auf 150 V bringen. Die Ionen werden dann von der Rückplatte 26 mit mäßiger Beschleunigung abgestoßen.

Dieser zwischen Rückplatte 26 und Gitter 28 erzeugte Spannungsimpuls besitzt eine genügend lange Dauer, damit alle Ionen seiner Wirkung ausgesetzt werden, bevor sie das Gitter 28 erreichen. Es folgt daraus, daß auf diese am hinteren Teil des auf das Gitter 28 zugetriebenen Pakets befindlichen Ionen die abstoßende Kraft etwas langer einwirkt als auf die am Vorderteil des Pakets gelagerten Ionen gleicher Masse. Die Ionennachzügler, d. h. diejenigen Ionen, die vom Gitter 28 am weitesten entfernt sind, werden also etwas mehr als die näher zu diesem Gitter befindlichen Ionen beschleunigt, wodurch ihr Stellungsunterschied ausgeglichen wird. Infolge der mäßigen Amplitude des zwischen Rückplatte 26 und Steuergitter 28 erzeugten Impulses ist der erwähnte Beschleunigungsunterschied jedoch ebenfalls gering.

In gleicher Weise macht sich ein ausgleichender Beschleunigungsunterschied zwischen den diversen, verschiedene thermische Energien besitzenden Ionen fühlbar. Man kann sich der Klarheit halber etwa vorstellen, daß unmittelbar vor Einwirken des Impulses auf das Gitter, die von den Ionen ausgeführten und von deren kinetischer Energie thermischen Ursprungs erzeugten Bewegungen zur Folge haben, daß bestimmte Ionen gegebener Masse sich auf das Gitter 28 zu bewegen, während andere Ionen gleicher Masse sich davon entfernen. Die sich vom Gitter entfernenden Ionen sind dem zwischen Rückplatte 26 und Gitter 28 herrschenden Feld während einer längeren Zeitspanne ausgesetzt als die sich auf das Gitter zu bewegenden Ionen, da es sich ja darum handelt, die ersteren anzuhalten und ihrer Bewegung eine umgekehrte Richtung zu geben. Da die sich ursprünglich vom Gitter 28 entfernenden Ionen der Abstoßungskraft also länger ausgesetzt sind, erhalten sie eine etwas stärkere Beschleunigung als diejenigen Ionen, die sich ursprünglich auf das Gitter zu bewegten.

Sobald die Ionen das Gitter 28 überschritten haben, wird ihnen allen eine starke Beschleunigung mitgeteilt infolge der großen Potentialdifferenz, die bei Einwirken eines Impulses auf das Gitter 28 zwischen den Gittern 28 und 42 herrscht. In obigem Beispiel beträgt dieser Spannungsunterschied 150¹ V. Da

ίο sowohl die Stellungs- als auch die Geschwindigkeitsunterschiede (die beide von den ungeordneten Ionenbewegungen hervorgerufen sind) von der zwischen Rückplatte 26 und Gitter 28 erzeugten Spannung in sehr hohem Maße ausgeglichen wurden, werden allen Ionen bei ihrem Eintritt in die zwischen den Gittern 28 und 42 gelegene Zone ungefähr gleiche Beschleunigungen mitgeteilt. Die den Ionen in dieser Zone mitgeteilte Beschleunigung ist verhältnismäßig sehr hoch, und die Ungenauigkeiten, die im Augenblick, wo die Ionen das Gitter 28 überschreiten, etwa noch vorhanden wären, können ihr gegenüber vernachlässigt werden.

Man ersieht also hierausi, daß das oben als Steuergitter bezeichnete Gitter 28 auch als erstes Beschleunigungsgitter betrachtet werden kann, wobei das Gitter 42 das zweite Beschleunigungsgitter darstellt.

Obwohl beim Massenspektrometer nach der Erfindung eine größere Anzahl Gitter zur Verwendung kommt als bei den bekannten Spektrometern, ist die Zeitspanne, die von den Ionen benötigt wird, um von ihrem Ausgangspunkt aus die Sammelanode zu erreichen, mindestens ebenso groß wie bei letztgenannten Apparaten. Die Endgeschwindigkeit der Ionen ist in der Tat nicht höher als bei diesen Apparaten, obwohl eine größere Anzahl von Gittern bzw. Elektroden benutzt wurden, um ihnen diese Geschwindigkeit mitzuteilen. Folglich ist genügend Zeit vorhanden, um die Ionen verschiedener Massen vor ihrem Auftreffen auf die Sammelanode in so feiner Weise voneinander zu trennen, daß genaue Messungen möglich werden. Die vom Spektrometer nach der Erfindung gewährleistete Trennung der Ionen ist denn auch besser als diejenige der bekannten Apparate, und zwar auf Grund der Lokalisierung, die von den Gittern 28 und 42 bewirkt wird, um— wie oben erklärt — die Stellungs- und Geschwindigkeitsschwankungen auszugleichen. Die verbesserte Auseinanderhaltung im Raum zieht eine bessere zeitliche Trennung nach sich, was wiederum eine erhöhte Genauigkeit der Messungen ermöglicht.

Die Anwendung zweier Gitter bietet noch einen anderen Vorteil. Es handelt sich um die Möglichkeit, das Beschleunigungsgitter 42 zu erden, wodurch die Ionen jeglichem Einfluß von seiten der Rückplatte 25 und des Steuergitters 28 entzogen werden, sobald sie in das Gebiet zwischen Gitter 42 und Anode 46 eingetreten sind. Die Erdung des Gitters 42 verringert übrigens auch in stärkstem Maße den Einfluß, den dieses Gitter selbst auf die Ionen ausüben könnte, nachdem diese es durchquert haben.

Es möge hierbei darauf hingewiesen werden, daß die Erzeugungsweise der Ionen selbst nicht einen Teil vorliegender Erfindung darstellt und daß sie daher von derjenigen, die hier dargestellt und beschrieben wurde, abweichen kann. Übrigens könnte man natürlich statt Impulse zu erzeugen, weiche die Ionen von der Rückplatte abstoßen, auf Gitter 28 und Gitter 42 negative Impulse einwirken lassen, durch welche die Ionen an diese Elektroden angezogen würden. Man könnte auch einen Impuls sowohl auf Gitter 42 als

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auch auf Rückplatte 26 und Gitter 28 einwirken lassen, natürlich aber unter der Bedingung, daß während der Impulsdauer zwischen, den Spannungen dieser diversen Elektroden die passenden Beziehungen beibehalten werden.

Viele andere Abänderungen könnten an der einzigen Ausführungsweise, die hier dargestellt und beschrieben wird, angebracht werden, ohne daß man dadurch vom Grundgedanken vorliegender Erfindung abwiche.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Massenspektrometrie durch Messung der Laufzeit der Ionen, die von einer Ionenquelle bis zu einem Ionenauffänger gelangen, in welchem die Ionen mehreren Beschleunigungsfeldern in aufeinanderfolgenden Bereichen ihrer Flugbahn ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise drei Bereiche durchlaufen werden, und zwar ein erster Bereich für eine gemäßigte Beschleunigung, ein zweiter Bereich für eine starke Beschleunigung und ein dritter Bereich für keine oder niedrige Beschleunigung, und daß die in Wechselwirkung zueinander stehende Feldstärke und Länge der drei Bereiche so gewählt werden, daß der Fehler, der sich aus der statistischen Unbestimmtheit der Anfangsbedingungen bei der Ionenquelle ergibt, auf ein Mindestmaß verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken und die Längen der Bereiche außerdem so ausgewählt sind, daß die gesamte Flugstrecke von der Quelle zu der Sammelvorrichtung verhältnismäßig groß ist, vorzugsweise in der Größenordnung von wenigstens 40 cm liegt, um eine annehmbare Empfindlichkeit zu erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des dritten Bereiches, an dessen Ende die Ionen am Auffänger gesammelt werden, im Vergleich zu der Summe der Längen der ersten beiden Bereiche möglichst groß ist, vorzugsweise mindestens etwa zehnmal so groß.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich für gemäßigte Beschleunigung den Bereich, in dem die Ionen erzeugt werden, einschließt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei welchem die Ionen erhalten werden, indem neutrale Partikeln in einer begrenzten Bildungszone einem intermittierend unterbrochenen oder eingeschränkten Strahl ionisierender Elektronen ausgesetzt und aus dieser Zone durch eine intermittierende Anlegung von Beschleunigungsimpulsen der gleichen Frequenz wie die intermittierende Unterbrechung oder Einschränkung des ionisierenden Strahles herausgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsfelder intermittierend auf die Ionen gegeben werden, vorzugsweise durch periodische Potentialimpulse, die auch mit der Unterbrechung oder Einschränkung des Elektronenstrahles synchronisiert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung von Beschleunigungsimpulsen genügender Dauer, um zu ermögliehen, daß alle Ionen eines Schubes der gemäßigten Beschleunigung durch den ersten Bereich unterworfen werden, bevor sie der starken Beschleunigung durch den zweiten Bereich ausgesetzt werden.

7. Massenspektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ionenquelle (36) und dem Ionenauffänger (46) mehrere Beschleunigungsbereiche angeordnet sind, wobei die Länge der Bereiche in Beziehung zu der Stärke der Beschleunigung steht, und daß der erste Bereich zwischen einer Rückenplatte oder Elektrode (26) und einem ersten Beschleunigungsgitter oder Elektrode (28) und der zweite Bereich zwischen letzterem (28) und einem zweiten Beschleunigungsgitter oder Elektrode (42) begrenzt ist und Mittel (54, 70) vorgesehen sind, um an die Elektroden geeignete Spannungen zur Erzeugung eines elektrischen Feldes für gemäßigte Beschleunigung zwischen der Elektrode (26) und der ersten Beschleunigungselektrode (28) und eines elektrischen Feldes für stärkere Beschleunigung zwischen der letzteren (28) und der zweiten Beschleunigungselektrode (42) anzulegen.

8. Massenspektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß positive Potentiale (beispielsweise 200 bzw. 150 V) an die rückwärtige Elektrode (26) und die erste Beschleunigungselektrode (28) gelegt werden, während die zweite Beschleunigungselektrode (42) auf einem verhältnismäßig negativen Potential (beispielsweise Erde) gehalten wird, um abstoßende Kräfte auf die Ionen durch den ersten und zweiten Bereich zu geben.

9. Massenspektrometer nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet durch die Verwendung einer die Impulse bildenden Vorrichtung (70) zum Anlegen der Potentiale in Form von vorzugsweise periodischen Impulsen an eine oder mehrere Elektroden (26,28,42).

10. Massenspektrometer nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in einer Ionen erzeugenden Zone von vorzugsweise schmaler Breite erzeugt werden, die zwischen der rückwärtigen Elektrode (26) und dem ersten Beschleunigungsgitter (28) angeordnet ist.

11. Massenspektrometer nach Anspruch 10, welches eine elektronenemittierende Kathode, Elektronenbeschleunigungs- und Sammelelektroden zur Erzeugung eines Elektronenstrahles in einer Ionenbildungszone, die mit einem Behälter zur Einführung von Molekülen oder Atomen, die durch Zusammenstoßen mit den Elektronen ionisiert werden, verbunden ist, und eine Steuerschaltung zur periodischen Anlegung von Spannungsimpulsen an eine der Elektronenbeschleunigungselektroden umfaßt, um den Elektronenstrahl periodisch zu unterbrechen oder wesentlich einzuschränken, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (70) auch zur Anlegung der Beschleunigungsspannungsimpulse an die Ionenbeschleunigungselektroden (26, 28, 30) dient, wobei die Beschleunigungsspanmmgsimpulse mit den Elektronenunterbrechungsspannungsimpulsen synchronisiert sind, die an die Elektronenbeschleunigungselektrode (12) angelegt werden.

12. Massenspektrometer nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Rückenelektrode (26) und der ersten Beschleunigungselektrode (28) sowie der Abstand zwischen der letzteren (28) und der zweiten Beschleunigungselektrode (42) von gleicher Größenordnung sind, während zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Messung der Abstand zwischen

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Auffänger (46) und der vorherliegenden Beschleunigungselektrode (42) wesentlich langer ist als die ersten beiden Bereiche (also 26 Hs 28 bzw. 28 bis 42), vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie die Summe der ersten beiden Bereiche.

13. Massenspektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Beschleunigungselektrode (28,42) als Platten ausgeführt sind, die auf einer Linie ausgerichtete und als Kollimator wirkende Schlitze (30,44) auf-

weisen, um die Ionen längs eines Strahles auszurichten, dessen Ebene senkrecht auf der Ebene des Elektrodenstrahles (14-18-22) der die Ionen
zeugenden Vorrichtung steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 370 673 (S. 3, Anspruch 2); Review of Scientific Instruments, 19 (1948), S. 605; ίο; 22 (1951), S. 115.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen^